MEMS陀螺儀可在惡劣的高溫環(huán)境中提供精密慣性檢測(cè)

越來(lái)越多的應(yīng)用需要從位于極高溫環(huán)境中的傳感器收集數(shù)據(jù)。近年來(lái)，半導(dǎo)體、無(wú)源器件和互連器件在實(shí)現(xiàn)高精度數(shù)據(jù)采集和處理方面取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。然而，對(duì)于可在高達(dá)175°C的溫度下工作的傳感器的需求仍未得到滿足，特別是在微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）提供的易于使用的外形尺寸中。與分立式傳感器相比，MEMS傳感器通常更小、功耗更低、成本更低。此外，它們還可以在同一半導(dǎo)體封裝中集成信號(hào)調(diào)理電路。

高溫MEMS加速度計(jì)ADXL206已經(jīng)發(fā)布，可提供高精度傾斜（傾斜）測(cè)量。然而，在最終產(chǎn)品可能受到嚴(yán)重沖擊、振動(dòng)和劇烈運(yùn)動(dòng)的惡劣環(huán)境中，仍然需要額外的自由度來(lái)精確測(cè)量系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)。這種類(lèi)型的濫用會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的過(guò)度磨損和早期故障，從而產(chǎn)生高昂的維護(hù)或停機(jī)成本。

為了滿足這一需求，ADI公司開(kāi)發(fā)了一款集成信號(hào)調(diào)理功能的新型高溫MEMS陀螺儀ADXRS645。該傳感器即使在存在沖擊和振動(dòng)的情況下也能進(jìn)行精確的角速率（轉(zhuǎn)速）測(cè)量，額定溫度高達(dá)175°C。

操作理論

MEMS陀螺儀通過(guò)科里奧利加速度測(cè)量角速率。科里奧利效應(yīng)可以解釋如下，從圖1開(kāi)始?？紤]一下自己站在靠近中心的旋轉(zhuǎn)平臺(tái)上。您相對(duì)于地面的速度顯示為藍(lán)色箭頭長(zhǎng)度。如果你要移動(dòng)到平臺(tái)外邊緣附近的一個(gè)點(diǎn)，你的速度將相對(duì)于地面增加，如較長(zhǎng)的藍(lán)色箭頭所示。由徑向速度引起的切向速度增加的速率是科里奧利加速度。

圖1.科里奧利加速度示例。向北向旋轉(zhuǎn)平臺(tái)外邊緣移動(dòng)的人必須增加向西的速度分量（藍(lán)色箭頭）以保持北行路線。所需的加速度是科里奧利加速度。

如果Ω是角速率，r 是半徑，則切向速度為 Ωr。因此，如果r在速度v時(shí)變化，則會(huì)出現(xiàn)切向加速度Ωv。這是科里奧利加速度的一半。還有一半來(lái)自改變徑向速度的方向，總共得到2Ωv。如果你有一個(gè)質(zhì)量（M），平臺(tái)必須施加一個(gè)力（2MΩv）來(lái)引起這種加速度，并且質(zhì)量會(huì)經(jīng)歷相應(yīng)的反作用力。ADXRS645利用了這種效應(yīng)，使用類(lèi)似于人在旋轉(zhuǎn)平臺(tái)上移出和移入的共振質(zhì)量。質(zhì)量由多晶硅微加工而成，并拴在多晶硅框架上，因此它只能沿一個(gè)方向共振。

圖2顯示，當(dāng)共振質(zhì)量向旋轉(zhuǎn)的外邊緣移動(dòng)時(shí)，它向右加速并向左對(duì)框架施加反作用力。當(dāng)它向旋轉(zhuǎn)中心移動(dòng)時(shí)，它會(huì)向右施加力，如綠色箭頭所示。

圖2.科里奧利效應(yīng)響應(yīng)于懸浮在框架內(nèi)的共振硅塊的演示。綠色箭頭表示基于共振質(zhì)量的狀態(tài)施加到結(jié)構(gòu)上的力。

為了測(cè)量科里奧利加速度，包含共振質(zhì)量的框架通過(guò)彈簧相對(duì)于共振運(yùn)動(dòng)以90°拴在基板上，如圖3所示。該圖還顯示了科里奧利感應(yīng)手指，用于通過(guò)電容式轉(zhuǎn)導(dǎo)來(lái)感應(yīng)框架的位移，以響應(yīng)質(zhì)量施加的力。

圖3.陀螺儀的機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4顯示了完整的結(jié)構(gòu)，表明隨著共振質(zhì)量的移動(dòng)和陀螺儀安裝的表面的旋轉(zhuǎn)，質(zhì)量及其框架經(jīng)歷科里奧利加速度，并與振動(dòng)運(yùn)動(dòng)平移90°。隨著旋轉(zhuǎn)速率的增加，質(zhì)量的位移和從相應(yīng)電容獲得的信號(hào)也會(huì)發(fā)生變化。應(yīng)該注意的是，陀螺儀可以放置在旋轉(zhuǎn)物體上的任何位置和任何角度，只要其感應(yīng)軸平行于旋轉(zhuǎn)軸即可。

圖4.框架和共振質(zhì)量體響應(yīng)科里奧利效應(yīng)橫向位移。

電容式傳感

ADXRS645通過(guò)連接到諧振器的電容式檢測(cè)元件測(cè)量科里奧利效應(yīng)引起的諧振質(zhì)量及其框架的位移，如圖4所示。這些元件是硅束，與連接到基板上的兩組固定硅束交錯(cuò)，從而形成兩個(gè)標(biāo)稱相等的電容器。由于角速率引起的位移在該系統(tǒng)中會(huì)產(chǎn)生差分電容。

實(shí)際上，科里奧利加速度是一個(gè)極小的信號(hào)，產(chǎn)生聲束偏轉(zhuǎn)的埃分?jǐn)?shù)和相應(yīng)的電容變化，約為齊法頻量級(jí)。因此，盡量減少對(duì)寄生源（如溫度、封裝應(yīng)力、外部加速度和電噪聲）的交叉敏感性非常重要。這部分是通過(guò)將電子設(shè)備（包括放大器和濾波器）與機(jī)械傳感器放置在同一芯片上來(lái)實(shí)現(xiàn)的。然而，更重要的是在信號(hào)鏈的下游進(jìn)行差分測(cè)量，并將信號(hào)與諧振器速度相關(guān)聯(lián)，特別是為了處理外部加速度的影響。

振動(dòng)抑制

理想情況下，陀螺儀只對(duì)旋轉(zhuǎn)速率敏感，而對(duì)其他不敏感。在實(shí)踐中，由于機(jī)械設(shè)計(jì)的不對(duì)稱和/或微加工不準(zhǔn)確，所有陀螺儀對(duì)加速度都有一定的敏感性。事實(shí)上，加速度靈敏度有多種表現(xiàn)形式，其嚴(yán)重程度因設(shè)計(jì)而異。最重要的是對(duì)線性加速度（或g靈敏度）和振動(dòng)校正（或g2靈敏度），并且可能?chē)?yán)重到完全淹沒(méi)器件的額定偏置穩(wěn)定性。當(dāng)速率輸入超出額定測(cè)量范圍時(shí)，某些陀螺儀的輸出會(huì)在軌與軌之間擺動(dòng)。其他陀螺儀在受到小至幾百克的沖擊時(shí)有鎖定的趨勢(shì)。這些陀螺儀不會(huì)因電擊而損壞，但它們不再響應(yīng)速率，需要重新通電才能重新啟動(dòng)。

ADXRS645采用新穎的角速率檢測(cè)方法，可以抑制高達(dá)1000 g的沖擊——它使用四個(gè)諧振器來(lái)差分檢測(cè)信號(hào)，并抑制與角運(yùn)動(dòng)無(wú)關(guān)的共模外部加速度。圖5中的頂部和底部諧振器對(duì)在機(jī)械上是獨(dú)立的，并且它們工作反相。因此，它們測(cè)量相同的旋轉(zhuǎn)幅度，但給出相反方向的輸出。因此，傳感器信號(hào)之間的差異用于測(cè)量角速率。這樣可以消除影響兩個(gè)傳感器的非旋轉(zhuǎn)信號(hào)。信號(hào)在前置放大器之前的內(nèi)部硬接線中組合。因此，極端加速度過(guò)載在很大程度上被阻止到達(dá)電子設(shè)備，從而允許信號(hào)調(diào)理在大沖擊期間保持角速率輸出。

圖5.四通道差分傳感器設(shè)計(jì)。

傳感器實(shí)現(xiàn)

陀螺儀及相關(guān)驅(qū)動(dòng)和檢測(cè)電路的簡(jiǎn)化原理圖如圖6所示。

圖6.集成陀螺儀的框圖。

諧振器電路感測(cè)諧振質(zhì)量的速度，放大并驅(qū)動(dòng)諧振器，同時(shí)保持相對(duì)于科里奧利信號(hào)路徑的良好控制相位（或延遲）?？评飱W利電路用于通過(guò)下游信號(hào)處理來(lái)檢測(cè)加速度計(jì)幀的運(yùn)動(dòng)，以提取科里奧利加速度的大小并產(chǎn)生與輸入旋轉(zhuǎn)速率一致的輸出信號(hào)。此外，自檢功能可檢查包括傳感器在內(nèi)的整個(gè)信號(hào)鏈的完整性。

應(yīng)用示例

可以說(shuō)，石油和天然氣井下鉆井行業(yè)遇到了電子產(chǎn)品最?lèi)毫拥沫h(huán)境之一。這些系統(tǒng)利用多種傳感器來(lái)更好地了解鉆柱在地表以下的運(yùn)動(dòng)，優(yōu)化操作并防止損壞。以 RPM 為單位測(cè)量的鉆孔旋轉(zhuǎn)速率是鉆孔操作員需要始終了解的關(guān)鍵指標(biāo)。傳統(tǒng)上，這是從磁力計(jì)計(jì)算得出的。然而，磁力計(jì)會(huì)受到鉆套管和周?chē)@孔中存在的黑色金屬材料的干擾。它們還必須安裝在特殊的非磁性鉆鋌（外殼）中。

除了簡(jiǎn)單的RPM測(cè)量之外，人們?cè)絹?lái)越關(guān)注了解鉆柱的運(yùn)動(dòng)或鉆井動(dòng)力學(xué)，以最佳地管理施加的力、旋轉(zhuǎn)速率和轉(zhuǎn)向等參數(shù)。管理不善的鉆井動(dòng)態(tài)可能導(dǎo)致鉆井的高振動(dòng)和極不穩(wěn)定的運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致到目標(biāo)區(qū)域的鉆井時(shí)間延長(zhǎng)、設(shè)備過(guò)早失效、鉆頭轉(zhuǎn)向困難以及油井本身受損。在極端情況下，設(shè)備可能會(huì)損壞并留在井中，然后必須以非常高的成本取回。

由于鉆井參數(shù)管理不善而導(dǎo)致的一種特別有害的運(yùn)動(dòng)類(lèi)型稱為粘滑。粘滑是一種鉆頭卡住，但鉆柱頂部繼續(xù)旋轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。當(dāng)鉆頭被卡住時(shí)，鉆柱的底部會(huì)纏繞起來(lái)，直到它產(chǎn)生足夠的扭矩來(lái)松動(dòng)，通常是劇烈的。發(fā)生這種情況時(shí)，鉆頭處的旋轉(zhuǎn)速率會(huì)出現(xiàn)較大的峰值。粘滑往往會(huì)周期性地發(fā)生，并且可以持續(xù)很長(zhǎng)時(shí)間。粘滑的典型RPM響應(yīng)如圖7所示。由于地表的鉆柱繼續(xù)正常旋轉(zhuǎn)，鉆井操作人員往往沒(méi)有意識(shí)到這種破壞性現(xiàn)象正在井下發(fā)生。

圖7.粘滑循環(huán) RPM 曲線示例。

此應(yīng)用的關(guān)鍵測(cè)量是對(duì)鉆頭附近的轉(zhuǎn)速進(jìn)行精確、高采樣率測(cè)量。陀螺儀（如抗振ADXRS645）非常適合此任務(wù)，因?yàn)闇y(cè)量與鉆柱的任何線性運(yùn)動(dòng)分離。當(dāng)存在高振動(dòng)和不穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)時(shí)，從磁力計(jì)計(jì)算的旋轉(zhuǎn)速率會(huì)受到噪聲和誤差的影響?；谕勇輧x的解決方案可以即時(shí)回答轉(zhuǎn)速，并且不依賴于過(guò)零或其他可能受到?jīng)_擊和振動(dòng)影響的算法。

此外，與磁通門(mén)磁力計(jì)解決方案相比，基于陀螺儀的電路更小，需要的元件更少，磁通門(mén)磁力計(jì)解決方案需要多個(gè)磁力計(jì)軸和額外的驅(qū)動(dòng)電路。信號(hào)調(diào)理集成在ADXRS645中。支持高溫IC對(duì)陀螺儀模擬輸出進(jìn)行采樣和數(shù)字化，采用低功耗、低引腳數(shù)封裝。具有數(shù)字輸出的額定值為175°C的陀螺儀電路可通過(guò)圖8所示的簡(jiǎn)化信號(hào)鏈實(shí)現(xiàn)。數(shù)據(jù)采集電路的完整參考設(shè)計(jì)可在 www.analog.com/cn0365 獲得。

圖8.額定 175°C 陀螺儀數(shù)字輸出信號(hào)鏈。

總結(jié)

本文介紹了首款額定工作溫度為175°C高溫的MEMS陀螺儀ADXRS645。該傳感器可在惡劣環(huán)境應(yīng)用中進(jìn)行精確的角速率測(cè)量，從而抑制沖擊和振動(dòng)的影響。陀螺儀由一系列高溫IC支持，用于采集信號(hào)進(jìn)行處理。

審核編輯：郭婷